Lichtspiele
Highspeed-Transistoren
Komplexe Simulationen oder die Verarbeitung großer Datenmengen – dies bedarf großer Rechenleistungen. Doch dabei kommen heutige Computer inzwischen an ihre Grenzen. Verantwortlich für die Geschwindigkeit der Rechenoperation sind sogenannte Feldeffekttransistoren. Um immer schneller zu werden, werden diese Transistoren immer kleiner, um möglichst viele nebeneinander einzubauen. Computer arbeiten heute schon mit beeindruckenden Taktraten von mehreren Gigahertz, also mehreren Milliarden Rechenoperationen pro Sekunde. Transistoren neuester Bauart sind nur noch 0,000005 Millimeter groß – viel kleiner geht es nicht mehr. Hier kommt die Lasertechnologie ins Spiel: Wissenschaftler der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) und der University of Rochester in New York haben jetzt in einem Experiment erstmals gezeigt, wie Signale über Lichtwellen statt per Strom und Transistoren übertragen werden können und so mithilfe von Laserimpulsen Rechenoperationen bis zu einer Million Mal schneller als bisher durchgeführt werden könnten. Eine Schwingung einer Lichtwelle dauert nur etwa eine Femtosekunde, das entspricht dem millionsten Teil einer Milliardstelsekunde.
„Wir wissen jetzt, dass Lichtwellen-Elektronik nicht nur theoretisch funktioniert, sondern auch praktisch möglich ist."
Tobias Boolakee vom Lehrstuhl für Laserphysik der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
„Dies ist ein großartiges Beispiel dafür, wie Grundlagenforschung zu neuen Technologien führen kann. Durch fundamentale Theorie und ihre Verbindung mit den Experimenten haben wir die Rolle realer und virtueller Stromimpulse aufgedeckt, und das hat die Umsetzung ultraschneller logischer Gatter eröffnet“, sagt Ignacio Franco von der University of Rochester. Allerdings: „Bis diese Technik in einen Computerchip eingesetzt werden kann, wird es vermutlich noch sehr lange dauern. Aber wir wissen jetzt, dass Lichtwellen-Elektronik nicht nur theoretisch funktioniert, sondern auch praktisch möglich ist“, ergänzt Tobias Boolakee von der FAU.
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Schnelle Chips
Ein anderes Verfahren, um Computer mithilfe von Lasern schneller zu machen, ist die EUV-Lithografie. Ein Chip besteht heute aus Milliarden von winzigen Strukturen, die per ultraviolettem Licht (UV) auf dünnen Siliziumscheiben erzeugt werden. Je mehr dieser Strukturen sich auf einem Chip befinden, desto schneller und leistungsfähiger ist er. Doch mittlerweile stößt dieses klassische Verfahren zusehends an technische und ökonomische Limits. Mit der EUV-Lithografie können die Grenzen der Optik jedoch verschoben werden. Das Verfahren, das vom Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF zusammen mit Unternehmen wie Zeiss und Trumpf entwickelt wurde, nutzt extrem ultraviolettes, also sehr kurzwelliges Licht (EUV) und ausgefeilte Optik- und Spiegelsysteme, die noch winzigere Strukturen ermöglichen. Während das konventionelle Verfahren Lichtquellen mit einer Wellenlänge von 193 Nanometer nutzt, arbeitet das neue Fertigungsverfahren mit nur noch 13,5 Nanometern. 1 Nanometer ist der Millionste Teil eines Millimeters. Um einen Plasmablitz von dieser gewünschten Wellenlänge zu erzeugen, braucht es sehr starke Laser, die in einer Vakuumkammer auf vorbeirauschende Zinntröpfchen schießen – und zwar 50.000-mal in der Sekunde. Das Ergebnis: Die EUV-Lithografie ermöglicht eine feinere Auflösung, dank der die Chiphersteller in der Lage sind, kleinere, schnellere und leistungsfähigere Chips herzustellen. Die Komplexität der Fertigung und die Kosten bleiben dabei im Rahmen. Inzwischen sind Mobiltelefone erhältlich, deren Chips mit EUV-Licht hergestellt wurden. Ein weiterer Bereich, in dem solche hochleistungsfähigen Chips eine wichtige Rolle spielen können, ist das autonome Fahren, denn diese sind in der Lage, dem System die für sicheres Fahren benötigten Daten im geforderten Tempo bereitzustellen.
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